В CERN розкрито нові межі фізики в пошук важких резонансів

Науковці колаборації CMS, що працює на Великому адронному колайдері (LHC) у Європейській організації ядерних досліджень (CERN), опублікували результати нового дослідження, яке розширює межі знань про можливі розширення Стандартної моделі (СМ) фізики частинок. У роботі, яка має назву «Пошук важкого резонансу, що розпадається на Z та Higgs-бозон у протон-протонних зіткненнях при √s=13 ТеВ», використано дані зіткнень протонів за енергії 13 ТеВ, зібрані між 2016 та 2018 роками. Загальний обсяг даних склав 138 фемтобарнів⁻¹, що дозволило провести детальний аналіз на основі передових методів.

Дослідження зосереджено на пошуку важкої частинки, яка може розпадатися на Z-бозон та Higgs-бозон (H-бозон). Z-бозон у цьому випадку розпадається на пару заряджених лептонів (електронів або мюонів) чи нейтрино, тоді як H-бозон розпадається на адрони, формуючи струмені великого радіусу. Для аналізу використано інноваційні алгоритми ідентифікації струменів, зокрема PARTICLENET-MD, що базується на нейронних мережах. Цей підхід дозволив підвищити чутливість до розпадів H-бозона на пари чармових кварків (H → cс̄) та чотирикваркові стани (H → VV* → 4 кварки), а також частково відновити розпади на пари b-кварків, які раніше відсіювалися.

Експеримент проводився з використанням детектора CMS, центральним елементом якого є надпровідний соленоїд діаметром 6 метрів, що генерує магнітне поле силою 3.8 Тл. У його об’ємі розміщені кремнієві трекери, електромагнітний калориметр із кристалів вольфрамату свинцю та адронний калориметр із латунними та сцинтиляційними компонентами. Ця конфігурація забезпечує точне вимірювання частинок, що утворюються під час зіткнень.

Учені досліджували два сценарії в рамках моделі важкого векторного триплету (HVT), яка описує спін-1 резонанси електрослабкої взаємодії. Перший сценарій, Model A, передбачає порівнянні розпадні моди на ферміони та бозони, імітуючи слабкозв’язану розширену калібрувальну теорію. Другий, Model B, акцентує на розпаді переважно на бозони, відображаючи мінімальну сильно взаємодіючу композитну модель Higgs-а. Маса резонансу варіювалася від 1.4 до 5 ТеВ, а сигнали генерувалися через процеси анігіляції кварк-антикварк.

Для відбору подій використовувалися строгі критерії: у каналах із зарядженими лептонами вимагалася наявність двох лептонів однакового типу з поперечним імпульсом понад 52 ГеВ та масою пари в межах 81−101 ГеВ, що відповідає масі Z-бозона. У нейтринному каналі ключовим було значення втраченого поперечного імпульсу понад 250 ГеВ. Струмені H-бозона відбиралися з поперечним імпульсом понад 200 ГеВ та кутовою відстанню від Z-бозона більше 2 радіан.

Однією з ключових новацій стало відсіювання подій із двома b-позначеними субструменями, що дозволило зосередитися на менш досліджених каналах розпаду H-бозона. Це рішення підвищило чутливість до cс̄-розпадів у п’ять разів та до чотирикваркових станів у три рази порівняно зі стандартними розгалуженнями СМ. Близько 60% сигналів усе ще походили від bб̄-розпадів, які не ідентифікувалися як такі через застосовані критерії.

Фон, переважно від виробництва V-бозонів (W або Z) із додатковими струменями, моделювався за допомогою одновимірної функції, параметри якої визначалися безпосередньо з даних, минаючи симуляції. Перевірка моделі проводилася в контрольній області, збагаченій фоновими подіями, що підтвердило її надійність. Сигнал же описувався функцією Crystal Ball із двосторонніми асиметричними хвостами, що враховують ефекти позаоболонкового виробництва та втрати частинок.

Результати аналізу показали відсутність статистично значущого надлишку подій над фоном у всіх трьох каналах (електронному, мюонному та нейтринному). Верхні межі на перетин виробництва σ(pp → Z′) та розгалуження B (Z′ → ZH) встановлено на рівні 95% довірчої ймовірності за допомогою модифікованого частотного підходу CLs. Найчутливішим виявився нейтринний канал через більшу розгалуженість та ефективність відбору. Комбінація даних із усіх каналів дозволила виключити резонанси з масами нижче 2.8 ТеВ для Model A та 3 ТеВ для Model B.

Порівняно з попереднім дослідженням CMS 2021 року, нова робота продемонструвала покращення чутливості до 60% у категорії з менш ніж двома b-позначеними субструменями. Використання комбінованого тегування b-, c- та легких кварків разом із аналізом субструктури струменів стало вирішальним фактором. Додаткові систематичні похибки, такі як ідентифікація струменів (2−5%), масштабування енергії струменів (до 2%) та тригерна ефективність (до 6% для електронів), були враховані, але залишалися другорядними порівняно зі статистичною невизначеністю.

Дані та код дослідження доступні через політику відкритості CMS, а результати опубліковано у HEPData. Участь у проєкті взяли сотні вчених із різних країн, зокрема з України, представлених Інститутом сцинтиляційних матеріалів НАН України та Харківським фізико-технічним інститутом. Робота стала ще одним кроком у перевірці теорій за межами СМ, таких як композитні Higgs-моделі та розширені калібрувальні сектори.